随着我国科学技术的不断发展，人们对医疗健康的需求不断增加。植入式压电生物医学器件的研究日渐兴盛，这有望极大地改善人们的生活质量。压电材料是一类可以实现机械应力和电信号相互转换的功能材料。目前，无机压电陶瓷和压电聚合物占据了应用的主流，但它们是不可生物降解的，故这些传统压电材料制成的植入式电子器件应用于人体将面临二次手术移除的风险。因此，基于可生物降解材料的植入式瞬态电子器件有望为医学领域带来重要变革。这些电子器件能够在可控的时间内工作，完成工作后自行溶解在体内，且不产生有毒有害的物质。其中，天然压电生物材料在这一方面显示出许多优势。但它们的压电性能不佳，压电系数d33大多低于10 pC/N，这极大地限制了它们在生物医学中的应用。而分子铁电材料具有合成简单、易于加工、轻量、生物相容性好和物理性能可调等独特优势，有望成为植入式瞬态电子器件的理想候选材料。因此，亟待开发具有高压电性的可生物降解分子铁电材料。

3月29日，最新一期《科学（Science）》发表题为“Biodegradable ferroelectric molecular crystal with large piezoelectric response（具有大压电响应的可生物降解铁电分子晶体）”的文章。作者首次将铁电化学与生物电子学有机结合，创新性地开发了一例压电响应直追无机陶瓷钛酸钡（BTO）的可生物降解有机铁电晶体2,2,3,3,4,4-六氟-1,5-戊二醇（HFPD），其压电响应d33为138 pC/N（Science 2024, 383, 1492–1498）。这是自1880年居里兄弟发现压电效应以来的一个里程碑式的重大突破。

东南大学熊仁根教授是铁电化学领域的创立者，在过去十余年间，他带领团队聚焦于分子铁电材料的化学设计与研究。本工作中，团队将PVDF的结构单元从上千减少到了3，实现了小分子压电性能四倍的提升，起到了四两拨千斤的作用（图1A）。电滞回线测试表征了该化合物的铁电性（图1C）。其相邻分子间通过氢键相互作用形成了二维氢键网络，这一特性使得HFPD晶体易溶于多种溶剂（尤其是体液），这有助于化合物在生物体内的降解（图1B）。该化合物兼具良好的生物安全性、生物相容性和生物降解性。考虑到晶体的脆性和刚性，团队通过溶液蒸发法制备了柔性压电复合薄膜，并用薄膜组装了一个可控的瞬态机电器件，并证实具有良好的生物传感性能（图1E和F）。这一研究为可降解植入式电子医疗器件提供了有前途的候选材料，也为分子压电材料提供了与人体健康密切相关的重要应用出口。

图1.（A）设计思路示意图；（B）结构堆积图；（C）电滞回线；（D）“回”字形铁电畴极化翻转；（E）降解前后的压电电压输出与图像；（F）PLA封装的HFPD-PVA器件在SD大鼠体内的压电性能测量示意图和该装置在大鼠膝关节区域的压电电压输出。

本工作中，牛津仪器的压电力显微镜技术（PFM）是其中一项重要的表征工具。图1D显示的是材料的一块单畴区域在进行“回字写畴”操作后的PFM相位图。图中可见正负写入电压改变了材料的极化方向，证实了材料的铁电性。作者还利用PFM测试中的极化翻转谱（SSPFM）技术来展现材料的翻转特性（原文Fig.2F）。除了相位信号，PFM测试中的振幅信号同样重要，可以反映材料的有效压电系数d33。通过施加不同大小的激励电压，记录相应的PFM振幅信号，并对数据进行线性拟合（原文Fig.3B），作者测得材料微区的有效压电系数高达119.3 pm/V。与此对应的是，同样方法测得的PVDF的有效压电系数为18.8 pm/V。牛津仪器多种PFM测试手段充分展示了材料稳定的铁电翻转特性和优异的压电性能。

牛津仪器Asylum Research专注于原子力显微镜25年。Vero是牛津仪器Asylum Research发布的全新一代原子力显微镜，采用正交相位差分干涉技术 (Quadrature Phase Differential Interferometry，QPDI) ，可以精准地测量探针真正的位移，并显著降低检测噪音水平。Vero大幅提升了PFM测试的准确性和可靠性，能够实现对超低压电响应信号的测量，定量表征材料的有效压电系数，同时避免静电力、形貌、面内面外信号串扰等因素的影响。

往期推荐

科研综述 | 牛津仪器PFM助力“二维铁电”研究

···